DE3405847C1 - Series regulator with a MOSFET power transistor - Google Patents

Series regulator with a MOSFET power transistor

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DE3405847C1 DE19843405847 DE3405847A DE3405847C1 DE 3405847 C1 DE3405847 C1 DE 3405847C1 DE 19843405847 DE19843405847 DE 19843405847 DE 3405847 A DE3405847 A DE 3405847A DE 3405847 C1 DE3405847 C1 DE 3405847C1
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Abstract

The invention relates to a series regulator with a series transistor (T) and a regulating stage (RS) for maintaining a predetermined output voltage (UA) across an external load resistance (RL). The series regulator exhibits current limiting which, from a limit current through the series transistor (T), reduces the current by current regulation when the load resistance (RL) becomes less, and greatly increases the voltage at a gate (G) of the series transistor (T) by voltage regulation when the drain-source voltage drops. <IMAGE>

Description

rationsverstärkcrs OPX verbunden, an dem auch das Gate G des Serientransistors Tangeschaltet ist.Ration amplifier OPX connected to which the gate G of the series transistor T is connected.

Die Regelstufe RS enthält einen weiteren Operationsverstärker OP2, dessen invertierender Eingang mit der Ausgangsklemme A, dessen nicht invertierender Hingang mit einer Rcl'ercnzspannungsklemme U, und dessen Ausgang über einen Widerstand /?6 mit dem Gate G des Scrientransistors Tverbunden ist.The control stage RS contains a further operational amplifier OP 2, whose inverting input is connected to the output terminal A, whose non- inverting input is connected to a Rcl'ercnzspannungsklemme U, and whose output is connected to the gate G of the transistor T via a resistor /? 6.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Strombegrenzung SB beschrieben. Es wird hierbei davon ausgegangen, daß die Regelstufe RS in an sich bekannter Weise das Gate G des Serientransistors T derart ansteuert, daß an der Ausgangsklemme A eine konstante Ausgangsspannung UA abgreifbar ist.The mode of operation of the current limiter SB according to the invention is described below. Here, it is assumed that the control stage RS the gate G of the series transistor T drives in a known manner such that at the output terminal A a constant output voltage UA is tapped off.

Der erfindungsgemäßen Strombegrenzung SB liegt folgender Gedanke zugrunde. Im zulässigen Strombereich des Serientransistors Γ wird, während die Drain-Source-Spannung niedrig ist, eine hohe Steuerspannung am Gate G und damit ein geringer Widerstand zwischen der Drain D und der Source S des Serientransistors T eingestellt. Der Spannungsmittelwert kann somit auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden. Im Serientransistor Tentsteht eine geringe Verlustleistung und damit geringe Verlustwärme. Im einzelnen wird dies durch folgende Maßnahmen erreicht. The current limitation SB according to the invention is based on the following idea. In the permissible current range of the series transistor Γ, while the drain-source voltage is low, a high control voltage at the gate G and thus a low resistance between the drain D and the source S of the series transistor T is set. The voltage mean value can thus be set to a lower value. In the series transistor T there is a low power loss and thus low heat loss. This is achieved in detail by the following measures.

Der Operationsverstärker OPX der Strombegrenzung SB ist durch einen Baustein realisiert, der einen hier nicht dargestellten Ausgangstransistor mit einem offenen Kollektor, Frequenzkompensation, sowie einen Eingangsgleichtaktbereich bis zum negativen Wert der Spannung an der Source Sdes Serientransistors Taufweist. The operational amplifier OPX of the current limitation SB is implemented by a module that has an output transistor (not shown here) with an open collector, frequency compensation, and an input common mode range up to the negative value of the voltage at the source S of the series transistor T.

Es wird von einem Zustand ausgegangen, bei dem durch den Serientransistor T, dessen Drain-Source-Spannung einen mittleren Wert aufweist und damit auch durch den Lastwiderstand RL der maximal zulässige Grenzstrom fließt. Am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 liegt auf Grund der Zenerdiode Z eine Referenzspannung UR an, die auf die Spannung an der Source S des Serientransistors Tbezogen ist.A state is assumed in which the series transistor T, the drain-source voltage of which has a medium value, and thus the maximum permissible limit current also flows through the load resistor RL. At the non-inverting input of the operational amplifier OP 1, due to the Zener diode Z, there is a reference voltage UR which is related to the voltage at the source S of the series transistor T.

Ab diesem Zustand hin zu geringeren Lastwiderständen RL, die bei Einhaltung der Ausgangsspannung UA höhere Ströme bedingen würden, wird der Strom durch den Serientransistor T über die Widerstände R 4 und R 5 am Operationsverstärker OPl konstant gehalten. Das bedeutet, unzulässig hohe Ströme werden durch Konstanthaltung der Spannung am Gate G des Serientransistors T, d. h. durch eine Reduzierung des Widerstandes des Ausgangstransistors des Operationsverstärkers OP X verhindert. Die Spannung am Gate G bleibt konstant, obwohl die Regelstufe RS auf Grund der Unterschreitung der vorgegebenen Ausgangsspannung UA am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 eine höhere Spannung einstellen will. Bei einer weiteren Verkleinerung des Lastwiderstandes RL steigt bei einer konstanten Spannung am Gate G die Drain-Source-Spannung an. Aus diesem Grund sinkt die Ausgangsspannung UA, und damit auch die Spannung an der Source s ab. Dies bewirkt, daß auch die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPi, und über den Ausgang des Operationsverstärkers OP1 auch die Spannung am Gate G sinken. Zusammen mit den Widerständen R 4 und R 5 bewirkt die an der Source 5 angeschaltete Zenerdiode Z die rückläufige Strom-Spannungskennlinie des Serientransistors Tbei sehr hohen Strömen.
Ausgehend von dem Zustand, bei dem der Grenzstrom durch den Serientransistor T fließt, wird hin zu einer niedrigeren Drain-Source-Spannung die Spannung am Gate G stark erhöht. Beim Grenzstrom ist die am Widerstand R 3 abgreifbare Spannung gleich der an der Diode D1. Die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OfI anliegende Spannung sinkt mit einer sinkenden Gate-Source-Spannung, da über die Diode D X und den Widerstand R 2 ein Strom zur Drain D fließt. Dieser Strom kann über den Widerstand R 4 nur fließen, da der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 hochohmig wird, und infolgedessen die Gate-Source-Spannung ansteigt.From this state towards lower load resistances RL, which would require higher currents if the output voltage UA is maintained, the current through the series transistor T is kept constant via the resistors R 4 and R 5 at the operational amplifier OP1. This means that impermissibly high currents are prevented by keeping the voltage at the gate G of the series transistor T constant, ie by reducing the resistance of the output transistor of the operational amplifier OP X. The voltage at the gate G remains constant, although the control stage RS wants to set a higher voltage at the output of the operational amplifier OP 2 because it falls below the specified output voltage UA. With a further reduction in the load resistance RL , the drain-source voltage increases with a constant voltage at the gate G. For this reason, the output voltage UA drops, and with it the voltage at the source s . This causes the voltage at the non-inverting input of the operational amplifier OP, and via the output of the operational amplifier OP 1, the voltage at the gate G to fall. Together with the resistors R 4 and R 5 , the Zener diode Z connected to the source 5 causes the declining current-voltage characteristic of the series transistor T at very high currents.
Starting from the state in which the limit current flows through the series transistor T , the voltage at the gate G is greatly increased towards a lower drain-source voltage. At the limit current, the voltage that can be tapped off at resistor R 3 is the same as that at diode D 1. The voltage at the inverting input of operational amplifier OfI falls with a falling gate-source voltage, since a current flows through diode DX and resistor R 2 Drain D flows. This current can only flow through the resistor R 4 because the output of the operational amplifier OP 1 becomes high-resistance, and as a result the gate-source voltage rises.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims (1)

1 2 Schaltungsbeispiele hierfür sind den Datenbüchern über Patentansprüche: SIPMOS-Transistoren der Firma Siemens, Jahrgang 83/84 zu entnehmen. Solche Regelstufen weisen den1 2 Circuit examples for this can be found in the data books on patent claims: SIPMOS transistors from Siemens, year 83/84. Such control levels show the 1. Serienregler mit einem MOSFET-Leistungs- Nachteil auf, daß auch schon bei Strömen, die geringer transistor als Serientransistor (T) mit einer einen er- 5 als ein zulässiger Grenzstrom sind, die MOS FET-Leisten Operationsverstärker (OP 2) aufweisenden Re- stungstransistoren nicht mehr voll durchsteuerbar sind, gelstufe (RS) zur Einhaltung einer vorbestimmten und dadurch Verlustleistung und Verlustwärme entste-Ausgangsspannung (UA) an einem externen Lastwi- hen.1. Series regulator with a MOSFET power disadvantage that even with currents that are less transistor than series transistor (T) with an er 5 as a permissible limit current, the MOS FET strips operational amplifier (OP 2) having Re - Power transistors are no longer fully controllable, gel level (RS) to maintain a predetermined output voltage (UA) at an external load transformer, which results in power loss and heat loss. derstand (RL), mit einer einen zweiten Operations- Aus der »Funk-Technik« 37 (1982), Heft 9, Seiten 385 verstärker (OPi) und einen Rückkopplungswider- io bis 388 ist ein mit einem Serienregler gemäß dem Oberstand (RA) aufweisenden Strombegrenzungsstufe begriff des Anspruchs 1 ausgestattetes Netzgerät mit (SB), deren Ausgang mit jenem der Regelstufe (RS) variabler Ausgangsspannung und einstellbarer Strom- und der Gate-Elektrode (G^des Serientransistors (T) begrenzung (siehe Bild 8) bekannt. Dieses Netzgerät gekoppelt ist, wobei bei hohem Laststrom die weist zwei parallel geschaltete MOSFET-Leistungs-Strombegrenzungsstufe (SB) als Stromsenke an der 15 transistoren auf, wobei zur Stromwerterfassung ein Wi-Gate-Elektrode (G) wirkt, dadurch gekenn- derstand in den Lastkreis geschaltet ist. Der an diesem zeichnet, Widerstand abgreifbare Spannungswert liegt an den daß ein erster Eingang des zweiten Operationsver- Eingängen eines Operationsverstärkers an, dessen Ausstärkers (OP1) über ein Halbleiterelement mit Kon- gang im Kurzschlußfall als Stromsenke für den Ausgang stantspannungscharakteristik (Z) mit der Source- 20 eines weiteren Operationsverstärkers dient, der die EinElektrode (2^des Serientransistors (^verbunden ist, haltung einer konstanten Ausgangsspannung bewirkt,
und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine daß ein zweiter Eingang des zweiten Operationsver- Strombegrenzung für einen Serienregler mit MOSFET-stärkers (OP1) über einen Widerstand (R S) mit ei- Leistungstransistoren anzugeben, bei der im Lastkreis nem Bezugspotential fOV^ verbunden ist, wobei mit- 25 ein zusätzlicher, durch die Strombegrenzungsstufe betels des Widerstandes (R S) und des Rückkopplungs- dingter Spannungsabfall vermieden wird.
Widerstandes (R 4) eine rückläufige Stromspan- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im nungskennlinie erzeugbar ist. kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebe-derstand (RL), with a second operational amplifier (OPi) and a feedback counter- io to 388 is a series regulator according to the upper level (RA). having current limiting stage term of claim 1 equipped power supply with (SB), whose output with that of the control stage (RS) variable output voltage and adjustable current and gate electrode (G ^ of the series transistor (T) limit (see Figure 8) known. This Power supply is coupled, whereby with high load current the has two parallel connected MOSFET power current limiting stage (SB) as a current sink on the 15 transistors, whereby a Wi gate electrode (G) acts for current value acquisition, thereby identifying in the load circuit The voltage value that can be tapped off at this resistance is applied to a first input of the second operational amplifier, whose output amplifier (OP 1) is connected via a Hal Conductor element with conguration in the event of a short circuit as a current sink for the output constant voltage characteristic (Z) with the source 20 of another operational amplifier, which is connected to the one electrode (2 ^ of the series transistor (^, maintains a constant output voltage,
The invention is based on the object of specifying a second input of the second operational current limit for a series regulator with MOSFET amplifier (OP 1) via a resistor (RS) with egg power transistors in which the load circuit nem reference potential fOV ^ connected is, with an additional voltage drop caused by the current limiting stage betels the resistor (RS) and the feedback is avoided.
Resistance (R 4) a declining current voltage This object is achieved according to the invention by the voltage characteristic can be generated. characterizing part of claim 1 indicated 2. Serienregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nen Merkmale gelöst.2. Series regulator according to claim 1, characterized in that the features are solved. zeichnet, daß der zweite Operationsverstärker 30 Der hierdurch sich ergebende Vorteil liegt darin, daß (OPi) einen Ausgangstransistor mit offenem KoI- kein Strommeßwiderstand nötig ist.
lektor, Frequenzkompensation, und einen Eingangs- Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Regelgleichtaktbereich bis zum negativen Wert einer stufe liegt darin, daß in den MOSFET-Leistungstransi-Spannung an der Source-Elektrode (S) des Serien- stören nur eine geringe Verlustleistung und damit nur transistors (T) aufweist. 35 wenig Wärme entstehen.shows that the second operational amplifier 30. The advantage resulting from this is that (OPi) an output transistor with an open KoI - no current measuring resistor is necessary.
lektor, frequency compensation, and an input Another advantage of the control common mode range according to the invention up to the negative value of a stage is that in the MOSFET power transi-voltage at the source electrode (S) of the series disturb only a low power loss and thus only has transistor (T) . 35 little heat is generated. 3. Serienregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläu-Konstantspannungscharakteristik (Z) einer Zenerdi- tert.3. Series regulator according to claim 1 or 2, characterized in the following, the invention is based on one in that the semiconductor element illustrated with drawing embodiment erläu-constant voltage characteristic (Z) of a Zenerdi- tert. ode ist. Der in der Figur dargestellte Serienregler weist eineor is. The series regulator shown in the figure has a 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- 40 Eingangsklemme E, eine Ausgangsklemme A, sowie ein ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- gemeinsames Bezugspotential OV auf. An der Einbegrenzungsstufe (SB) am zweiten Eingang des gangsklemme E liegt eine Eingangsspannung UE, und zweiten Operationsverstärkers (OP1) eine mit der an der Ausgangsklemme A ist eine Ausgangsspannung Drain-Elektrode (D) des Serientransistors (T) ver- £M abgreifbar, jeweils bezogen auf das Bezugspotential bundene Diode (D 1) aufweist, über die die Ein- 45 OV. Die Eingangsklemme E ist über die Drain-Sourcegangsspannungsdifferenz am zweiten Operations- Strecke eines Serientransistors T mit der Ausgangsverstärker (OP1) erhöhbar ist. klemme A verbunden. Ein Gate G des Serientransistors4. Circuit arrangement according to one of claims 40 input terminal E, an output terminal A, and a before 1 to 3, characterized in that the current common reference potential OV . An input voltage UE, and the second operational amplifier (OP 1) is located on the Einbegrenzungsstufe (SB) at the second input of the terminal block E a can be picked off with the on the output terminal A is an output voltage drain electrode (D) of the series transistor (T) comparable £ M , each related to the reference potential has tied diode (D 1) via which the input 45 OV. The input terminal E can be increased via the drain-source output voltage difference at the second operational path of a series transistor T with the output amplifier (OP 1). terminal A connected. A gate G of the series transistor T, der durch einen MOSFET-Leistungstransistor reali- T, which is realized by a MOSFET power transistor siert ist, wird gemeinsam von einer Regelslufe RS undis sated, is shared by a control run RS and 50 von einer Strombegrenzung SB angesteuert. Zwischen Äusgangsklemme A und dem Bezugspotential OV ist50 controlled by a current limiter SB. Between the output terminal A and the reference potential OV is Die Erfindung betrifft einen Serienregler gemäß dem ein externer Lastwiderstand RL angeschaltet.The invention relates to a series regulator according to which an external load resistor RL is connected. Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Strombegrenzung SB enthält einen Operations-Preamble of claim 1. The current limiter SB contains an operational Stetig geregelte Stromversorgungen sind allgemein verstärker OP!,der zur Stromversorgung zwischen ei-Constantly regulated power supplies are generally OP ! Amplifiers, which are used to supply power between one bekannt. Die hierzu verwendeten Serienregler (oder 55 ne Hilfsspannungsklemme UH und das Bezugspotentialknown. The series regulator used for this purpose (or the auxiliary voltage terminal UH and the reference potential Verlustregler) bestehen aus einem Transistor, dessen OV geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang desLoss regulator) consist of a transistor whose OV is switched. The non-inverting input of the Kollektor-Emitter-Widerstand von einer Regelstufe Operationsverstärkers OP1 ist über einen WiderstandCollector-emitter resistance from a control stage operational amplifier OP 1 is via a resistor derart angesteuert wird, daß eine Ausgangsspannung R1 mit der Hilfsspannungsklemme UH und über eine inis controlled such that an output voltage R 1 to the auxiliary voltage terminal UH and an in konstant gehalten wird. In letzter Zeit werden hierfür Sperrichtung gepolte Zenerdiode Z mit der Source 5is kept constant. Recently, reverse-biased Zener diodes Z have been connected to source 5 for this purpose MOSFET-Leistungstransistoren verwendet, die einen 60 des Serientransistors Tverbunden.Uses MOSFET power transistors that are connected to a 60 of the series transistor T. sehr geringen Durchlaßwiderstand aufweisen, so daß in Der invertierende Eingang des Operationsverstär-have very low forward resistance, so that in the inverting input of the operational amplifier den Serienreglern bei hohen Strömen nur wenig Ver- kers OP1 ist über eine in Flußrichtung gepolte Diodethe series regulators with high currents only a little verker OP 1 is via a diode polarized in the forward direction lustleistung bzw. Verlustwärme erzeugt wird. D1 und einen Widerstand R 2 mit der Drain D despower or heat loss is generated. D 1 and a resistor R 2 to the drain D des Um eine Zerstörung der Serienregler durch unzuläs- Serientransistors T, und ebenfalls über die Diode D1To prevent the series regulator from being destroyed by inadmissible series transistor T, and also via diode D 1 sig hohe Ströme zu vermeiden, weisen die Regelstufen 65 und einen Widerstand R 3 mit dem nicht invertierendenTo avoid sig high currents, the control stages 65 and a resistor R 3 with the non-inverting eine Strombegrenzung auf. Diese besteht im allgemei- Eingang verbunden. Der invertierende Eingang ist übera current limit. This consists of the general input connected. The inverting input is over nen aus einem zwischen Gate und Source der MOS- einen Widerstand R 5 mit dem Bezugspotential O V, undNEN from a between the gate and source of the MOS a resistor R 5 with the reference potential OV, and FET-Leistungstransistoren geschalteten Zenerdiode. über einen Widerstand R 4 mit einem Ausgang des Ope-FET power transistors switched zener diode. via a resistor R 4 to an output of the Ope-
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